JP5299427B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体内に第１超音波信号を送信し前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号を受信して、前記第２超音波信号に基づく前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関し、特に、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合に第２超音波信号の高調波成分に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置に関する。

超音波は、通常、１６０００Ｈｚ以上の音波をいい、非破壊、無害および略リアルタイムでその内部を調べることが可能なことから、欠陥の検査や疾患の診断等の様々な分野に応用されている。その一つに、被検体内を超音波で走査し、被検体内から来た超音波の反射波（エコー）から生成した受信信号に基づいて当該被検体内の内部状態を画像化する超音波診断装置がある。この超音波診断装置は、医療用では、他の医療用画像装置に較べて小型で安価であり、そしてＸ線等の放射線被爆が無く安全性が高いこと、また、ドップラ効果を応用した血流表示が可能であること等の様々な特長を有している。このため、超音波診断装置は、循環器系（例えば心臓の冠動脈等）、消化器系（例えば胃腸等）、内科系（例えば肝臓、膵臓および脾臓等）、泌尿器系（例えば腎臓および膀胱等）および産婦人科系等で広く利用されている。

また、近年では、超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の周波数（基本周波数）成分ではなく、その高調波周波数成分（高調波成分）によって被検体内の内部状態の画像を形成するハーモニックイメージング（Harmonic Imaging）技術が研究、開発されている。このハーモニックイメージング技術は、基本周波数成分（基本波成分）のレベルに比較してサイドローブレベルが小さく、Ｓ／Ｎ比（signal to noise ratio）が良くなってコントラスト分解能が向上すること、周波数が高くなることによってビーム幅が細くなって横方向分解能が向上すること、近距離では音圧が小さくて音圧の変動が少ないために多重反射が抑制されること、および、焦点以遠の減衰が基本波並みであり高周波を基本波とする場合に較べて深速度を大きく取れること等の様々な利点を有している。

このハーモニックイメージング技術には、大別すると、フィルタ法と位相反転法（パルスインバージョン法）との２つの方法がある。このフィルタ法は、高調波検出フィルタにより基本波成分と高調波成分とを分離し、高調波成分だけを抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。また、この位相反転法は、同一方向に続けて互いに位相が反転している第１および第２送信信号を送信し、これら第１および第２送信信号に対応する第１および第２受信信号を加算することによって高調波成分を抽出し、この高調波成分から超音波画像を生成する方法である。第１および第２受信信号における基本波成分は、位相が反転しているが、高調波の例えば２次高調波成分は、同相となるため、第１および第２受信信号を加算することによってこの２次高調波成分が抽出される（例えば、特許文献１（Ｄ１）参照）。

また、高調波周波数成分によって被検体内の内部状態の画像を形成する超音波診断装置として、例えば、特許文献２（Ｄ２）に開示の超音波診断装置もある。この特許文献２に開示の超音波診断装置では、高調波成分が超音波探触子から被検体内へ送信された超音波の振幅に応じて発生することに鑑み、振幅が比較的大きな超音波を被検体内へ送信することによって被検体内から来た超音波の反射波（高調波成分を含む反射波）から、振幅が比較的小さな超音波を被検体内へ送信することによって被検体内から来た超音波の反射波（高調波成分を含まない反射波）を、それら反射波の振幅の大きさを互いに等しく揃えてから減算することによって、２次高調波成分が抽出され、この抽出した２次高調波成分に基づいて超音波画像が形成される。

ここで、通常、超音波画像を形成する際に各種の画像処理がデジタル信号で実行されるため、超音波探触子の出力をアナログ／デジタル変換によってデジタル信号に変換する必要がある。しかしながら、被検体内からの超音波信号における高調波成分は、その信号レベルが基本波成分の信号レベルに較べて微弱であるため、超音波探触子の出力をそのままアナログ／デジタル変換して高調波成分を抽出すると、アナログ−デジタル変換器の分解能（出力レベルを表現するビット数）の一部分しか使われないため、超音波画像の階調が低下してしまう。

一方、これを避けるため、前記特許文献１の位相反転法や前記特許文献２に開示の手法を用いると、被検体内の一箇所に対し２回の送受信が必要となるため、フレームレートが低下してしまう。

また、これを避けるため、前記特許文献１のフィルタ法を用いると、電気信号の伝播によって減衰損失が発生してしまったり、フィルタの遮断特性を高めることによってリンギングが発生してしまったりしてしまう。

特開２００１−２８６４７２号公報 特開２０００−０９３４３０号公報

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、より階調性の高い超音波画像を形成することができる超音波診断装置を提供することである。

本発明にかかる超音波診断装置では、被検体内に送信した第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号に含まれる高調波成分に基づいて前記被検体内の画像を形成する際に、前記第２超音波信号を受信した超音波探触子の出力を所定の時間間隔でサンプリングすることで得られた複数のアナログ信号をアナログ処理することによって前記高調波成分が抽出される。このため、本発明にかかる超音波診断装置は、より階調性の高い超音波画像を形成することができる。

上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。 図１に示す超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。 図１に示す超音波診断装置における高調波成分を抽出する基本構成を示すブロック図である。 図３に示す基本構成において、１個の電荷を２個の電荷に２等分する動作を説明するための図である。 図３に示す基本構成において、２個の電荷を１個の電荷に統合する動作を説明するための図である。 図２に示す超音波診断装置における受信部の構成を示す図である。 図６に示す受信部の一部の動作を示すタイムチャートである。 図１に示す超音波診断装置における超音波探触子の受信波およびこの受信波に含まれる高調波成分を示す図である。 図８に示した超音波探触子の受信波から抽出した基本波成分（１ｓｔ）、第２次高調波成分（２ｎｄ）および第３次高調波成分（３ｒｄ）を示す図である。

以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。また、本明細書において、適宜、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、実施形態における超音波診断装置の電気的な構成を示すブロック図である。

超音波診断装置Ｓは、図１および図２に示すように、図略の生体等の被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信すると共に、この被検体で反射した超音波の反射波（エコー、第２超音波信号）を受信する超音波探触子２と、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して第１超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体内から来た第２超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する超音波診断装置本体１とを備えて構成される。

超音波診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドの入力や被検体の個人情報等のデータの入力を受け付けるものであり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボード等である。

送信部１２は、制御部１６の制御に従って、超音波探触子２へケーブル３を介して電気信号の送信信号を供給して超音波探触子２に第１超音波信号を発生させる回路である。送信部１２は、例えば、高電圧のパルスを生成する高圧パルス発生器等を備えて構成される。

受信部１３は、制御部１６の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信し、この受信した受信信号からアナログ処理によって高調波成分を抽出する回路であり、このアナログ処理によって抽出した受信信号の高調波成分をデジタル信号化して画像処理部１４へ出力する。受信部１３は、例えば、受信信号を予め設定された所定の増幅率で増幅する増幅器（プリアンプ）と、この増幅器で増幅された受信信号からＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算処理によって高調波成分を抽出する高調波成分抽出回路と、この抽出した高調波成分をアナログ信号からデジタル信号へ変換するアナログ−デジタル変換器等を備えて構成される。受信部１３については、後に、さらに詳述する。

画像処理部１４は、制御部１６の制御に従って、受信部１３で抽出した受信信号の高調波成分に基づいて公知の信号処理によって被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を生成する回路である。

表示部１５は、制御部１６の制御に従って、画像処理部１４で生成された被検体の超音波画像を表示する装置である。表示部１５は、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。

制御部１６は、例えば、マイクロプロセッサ、記憶素子およびその周辺回路等を備えて構成され、これら操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４および表示部１５を当該機能に応じてそれぞれ制御することによって超音波診断装置Ｓの全体制御を行う回路である。

超音波探触子（超音波プローブ）２は、被検体内に第１超音波信号を送信しこの第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号を受信する装置である。超音波探触子２は、例えば、圧電材料を備えて成り、圧電現象を利用することによって電気信号と超音波信号との間で相互に信号を変換することができる複数の圧電素子を備えて構成されており、これら複数の圧電素子は、例えば、ライン状（１次元アレイ状）に、あるいは２次元マトリックス状（２次元アレイ状）に配列される。圧電素子は、被検体内へ第１超音波信号を送信する場合では、超音波診断装置本体１の送信部１２からケーブル３を介して入力された送信の電気信号を、圧電現象を利用することによって第１超音波信号に変換して、被検体内にこの第１超音波信号を送信する。そして、圧電素子は、被検体内から来た第２超音波信号を受信する場合では、圧電現象を利用することによってこの受信した第２超音波信号を電気信号に変換して受信信号を、ケーブル３を介して超音波診断装置本体１の受信部１３へ出力する。超音波探触子２が被検体に当てられることによって、圧電素子で生成された第１超音波信号が被検体内へ送信され、被検体内からの第２超音波信号が圧電素子で受信される。

この被検体内から来た第２超音波信号は、被検体内における音響インピーダンスの不整合によって被検体内で第１超音波信号が反射した反射波（エコー）だけでなく、例えば微小気泡（マイクロバブル）等の超音波造影剤（コントラスト剤）が用いられている場合には、被検体内へ送信された第１超音波信号に基づいて超音波造影剤の微小気泡で生成される超音波もある。超音波造影剤では、超音波の照射を受けると、超音波造影剤の微小気泡は、共振もしくは共鳴し、さらに一定の閾値以上の音圧では崩壊、消失する。超音波造影剤では、微小気泡の共振によって、あるいは微小気泡の崩壊、消失によって、超音波が生じている。

圧電素子は、例えば、送信用の第１圧電素子と、音軸方向において第１圧電素子に積層された受信用の第２圧電素子とを備えて構成されてよい。

送信用の第１圧電素子は、その圧電材料に例えば無機圧電材料が用いられる。無機圧電材料は、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等である。このように第１圧電素子に無機圧電材料を用いることによって、送信パワーを比較的簡単な構造で大きくすることが可能となり、高調波のエコーを得るために、比較的大きなパワーで基本波の超音波信号を送信することが可能となる。

受信用の第２圧電素子は、その圧電材料に例えば有機圧電材料が用いられる。有機圧電材料は、例えば、フッ化ビニリデンの重合体を用いることができる。また例えば、有機圧電材料は、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）系コポリマを用いることができる。このフッ化ビニリデン系コポリマは、フッ化ビニリデンと他の単量体との共重合体（コポリマ）であり、他の単量体としては、３フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレン等を用いることができる。フッ化ビニリデン系コポリマは、その共重合比によって厚み方向の電気機械結合定数（圧電効果）が変化するので、例えば、超音波探触子の仕様等に応じて適宜な共重合比が採用される。例えば、フッ化ビニリデン／３フッ化エチレンのコポリマの場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が６０ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％が好ましく、有機圧電素子を無機圧電素子に積層する複合素子の場合では、フッ化ビニリデンの共重合比が８５ｍｏｌ％〜９９ｍｏｌ％がより好ましい。また、このような複合素子の場合では、他の単量体は、パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＡＥ）およびパーフルオロヘキサエチレンが好ましい。また例えば、有機圧電材料は、ポリ尿素を用いることができる。このポリ尿素の場合では、蒸着重合法で圧電体を作成することが好ましい。ポリ尿素用のモノマとして、一般式、Ｈ_２Ｎ−Ｒ−ＮＨ_２構造を挙げることができる。ここで、Ｒは、任意の置換基で置換されてもよいアルキレン基、フェニレン基、２価のヘテロ環基、ヘテロ環基を含んでもよい。ポリ尿素は、尿素誘導体と他の単量体との共重合体であってもよい。好ましいポリ尿素として、４，４’−ジアミノジフェニルメタン（ＭＤＡ）と４，４’−ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ）を用いる芳香族ポリ尿素を挙げることができる。本実施形態では、このように超音波を比較的広い周波数に亘って受信可能な特性を持つ有機圧電素子が第２圧電部２２３に用いられている。このように第２圧電素子に有機圧電材料を用いることによって、周波数帯域を比較的簡単な構造で広帯域にすることが可能であり、受信信号の高調波成分を受信することが可能となる。

このような構成の超音波診断装置Ｓでは、例えば、操作入力部１１から診断開始の指示が入力されると、制御部１６の制御によって送信部１２で電気信号の送信信号が生成される。この生成された電気信号の送信信号は、ケーブル３を介して超音波探触子２へ供給される。より具体的には、この電気信号の送信信号は、超音波探触子２における複数の圧電素子へそれぞれ供給される。この電気信号の送信信号は、例えば、所定の周期で繰り返される電圧パルスである。複数の圧電素子は、それぞれ、この電気信号の送信信号が供給されることによってその厚み方向に伸縮し、この電気信号の送信信号に応じて超音波振動する。この超音波振動によって、超音波探触子２は、超音波（第１超音波信号）を放射する。超音波探触子２が被検体に例えば当接されていると、これによって超音波探触子２から被検体に対して第１超音波信号が送信される。

なお、超音波探触子２は、被検体の表面上に当接して用いられてもよいし、被検体の内部に挿入して、例えば、生体の体腔内に挿入して用いられてもよい。

この被検体に対して送信された第１超音波信号は、被検体内部における音響インピーダンスが異なる１または複数の境界面で反射され、超音波の反射波（第２超音波信号）となる。あるいは、第１超音波信号は、超音波造影剤によって第２超音波信号を生じさせる。この第２超音波信号には、送信された第１超音波信号の周波数（基本波の基本周波数）成分だけでなく、基本周波数の整数倍の高調波の周波数成分も含まれる。例えば、基本周波数の２倍、３倍および４倍などの第２次高調波成分、第３次高調波成分および第４次高調波成分等も含まれる。この第２超音波信号は、超音波探触子２で受信される。より具体的には、この第２超音波信号は、複数の圧電素子にそれぞれで受信され、圧電素子で機械的な振動が電気信号に変換されて受信信号として取り出される。この取り出された電気信号の受信信号は、ケーブル３を介して制御部１６で制御される受信部１３で受信される。受信部１３は、この入力された受信信号を受信処理し、より具体的には、例えば増幅した後にＣＣＤ原理に基づくアナログ積和演算処理によって高調波成分を抽出し、この高調波成分をアナログ信号からデジタル信号へ変換し、画像処理部１４へ出力する。

ここで、上述において、各圧電素子から順次に第１超音波信号が被検体に向けて送信され、被検体で反射した第２超音波信号が各圧電素子で受信される。

そして、画像処理部１４は、制御部１６の制御によって、受信部１３で抽出された受信信号の高調波成分に基づいて、送信から受信までの時間や受信強度などから公知の信号処理によって被検体内の内部状態の画像（超音波画像）を生成し、表示部１５は、制御部１６の制御によって、画像処理部１４で生成された被検体内の超音波画像を表示する。

次に、受信部についてさらに詳述する。図３は、高調波成分を抽出する基本構成を示すブロック図である。図４は、１個の電荷を２個の電荷に２等分する動作を説明するための図である。図５は、２個の電荷を１個の電荷に統合する動作を説明するための図である。

まず、高調波成分の抽出原理について説明する。高調波成分を含む受信信号ｆ（ｔ）は、一般に、式１で表すことができる。

ここで、ａ_０は、定数項（直流成分）であり、ａ_ｎは、第ｎ次高調波におけるｓｉｎ成分（サイン成分）の振幅であり、ｂ_ｎは、第ｎ次高調波におけるｃｏｓ成分（コサイン成分）の振幅であり、ωは、角周波数であり、そして、ｔは、時間である。ｎは、１から始まる整数（ｎ＝１、２、３、・・・）であり、Σは、ｎ＝１からｎ＝∞までの和である。

この式１の２階微分は、式２のように表され、基本波（ｎ＝１）を抑圧する場合、例えば、式３の演算ｇ（ｔ）が考え得る。

ここで、発振周波数は、超音波診断装置Ｓの稼動の際には決まっているので、ω^２は、１以上の定数とすることができるから、式３は、式４のように書き換えられる。

ここで、ｃは、０から１までの定数である（０＜ｃ＜１）。

この式４の微分方程式を差分方程式に書き換えると、式４は、式５のように書き換えられる。

ここで、Ｔは、基本波（ｎ＝１）の周期であり（ωＴ＝２π）、△ｔは、サンプリング周期に相当する。

そして、サンプリング周期△ｔによってサンプリングされた波形がサンプリング前の原波形を維持するためには、サンプリング周期△ｔは、基本波の周期Ｔよりも充分に小さいことが必要である。したがって、式５は、式６となり、倍率を除くと、式７となる。

このように高調波成分は、基本波の関数式で表現することができ、この式７は、例えば、図３に示す回路によって実現され得る。すなわち、図３において、高調波抽出部Ｈは、第２超音波信号を受信した超音波探触子２の出力を所定の時間間隔でサンプリングすることで得られた複数のアナログ信号をアナログ処理することによって、第２超音波信号から、第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における高調波成分を抽出する回路であり、例えば、複数の電荷保持部２１（２１−１〜２１−３）と、複数の電荷保持部２１のそれぞれに対応して設けられた複数のアナログ乗算部２２（２２−１〜２２−３）と、アナログ加算部２３と、タイミング発生部２４とを備えて構成される。

タイミング発生部２４は、電荷保持部２１、アナログ乗算部２２およびアナログ加算部２３の各部の動作タイミングを生成し、この生成した動作タイミングをこれら各部へ出力する回路である。

電荷保持部２１は、所定時刻の超音波探触子２の出力を電荷で保持する回路である。すなわち、電荷保持部２１は、所定時刻の超音波探触子２の出力値に対応する電荷量を保持する回路である。電荷保持部２１は、受信信号の高調波成分を表す式の階数に応じた個数（＝階数＋１）が設けられ、これら複数の電荷保持部２１は、直列に接続される。例えば、式６および式７のように受信信号の高調波成分を表す式が２階の差分方程式である場合では、この２階の差分方程式の解を得るために、時刻ｔ、時刻（ｔ−△ｔ）および時刻（ｔ−２△ｔ）の３個の超音波探触子２における各出力が必要であることから、３個の電荷保持部２１（２１−１〜２１−３）が設けられる。そして、これら複数の電荷保持部２１（２１−１〜２１−３）は、第２超音波信号を受信した超音波探触子２の出力を所定の時間間隔でサンプリングすることによって得られた、複数の所定時刻における複数のアナログ信号をそれぞれ保持し、タイミング発生部２４から出力される動作タイミングに応答して動作し、タイミング発生部２４からの動作タイミングに応じたタイミングで自己の電荷保持部２１で保持している電荷を順次に後段の電荷保持部２１へ転送する。このような複数の電荷保持部２１は、例えば、半導体と、半導体上に形成された絶縁体層と、連続的に配置されるように絶縁体層上に形成された複数の電極（ゲート電極）とを備え、これら各電極に所定パターンの駆動電圧を印加することによって或る電極下のポテンシャル井戸に蓄積された電荷を順次に後段の電極下のポテンシャル井戸へ転送する電荷転送素子（電荷結合素子、Charge-Coupled Devices、ＣＣＤ）によって構成することができる。

アナログ乗算部２２は、各電荷保持部２１（２１−１〜２１−３）に対応して複数個設けられ、電荷保持部２１に保持されているアナログ信号にアナログ処理によって重み付けＭ（０≦Ｍ＜１）を行って乗算を行う回路である。より具体的には、Ｍ×Ｑ＝ｍ_１×２^−１Ｑ＋ｍ_２×２^−２Ｑ＋ｍ_３×２^−３Ｑ＋・・・＋ｍ_ｎ×２^−ｎＱと表現することができることから、アナログ乗算部２２では、電荷保持部２１の出力値（電荷保持部２１に保持されているアナログ信号）に対応する電荷量Ｑが２等分され、一方がさらに２等分され、これが繰り返されることで、２^−１Ｑ、２^−２Ｑ、２^−３Ｑ、・・・、２^−ｎＱの複数の電荷が生成され、これら各電荷が重み付け（乗数）Ｍの２進表現ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３、・・・、ｍ_ｎに従って取捨され、この取り上げられた電荷が１個に統合され、Ｍ×Ｑの乗算がアナログ処理で行われる。

このようなアナログ乗算部２２は、電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成することができる。例えば、電荷Ｑを２個の電荷に２等分する電荷分割部ＣＤは、図４に示すように、半導体３１と、半導体３１上に形成された絶縁体層３２と、絶縁体層３２上に連続的に形成された複数の電極（ゲート電極）３３（３３−１〜３３−６）とを備えて構成され、３個１組の電極３３を含んで１個の分割部ＣＤｋが構成され、図４には、電極３３−１〜３３−３を含む第１分割部ＣＤ１と、電極３３−４〜３３−６を含む第２分割部ＣＤ２とが図示されている。また、各電極３３（３３−１〜３３−６）には、電極３３に電圧を印加するための信号線Ｐ１〜Ｐ３が接続されている。このような電荷分割部ＣＤでは、電極３３に外部から電圧を印加することによって電極３３下の半導体３１内にポテンシャル井戸ＰＷが形成される。ポテンシャル井戸ＰＷは、その対応する電極３３に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷分割部ＣＤでは、第１および第２分割部ＣＤ１、ＣＤ２における各電極３３−１〜３３−３；３３−４〜３３−６に所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第１分割部ＣＤ１に保持されている電荷Ｑが２個の電荷Ｑ１、Ｑ２（Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ／２）に２等分され、各電荷Ｑ１、Ｑ２がそれぞれ第１および第２分割部ＣＤ１、ＣＤ２に保持される。例えば、時刻ｔ１１において、初期状態（２等分前、分割前）として、第１分割部ＣＤ１の第３電極３３−３に電圧が印加されることによって形成された第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ３に電荷Ｑが保持されている。次の動作タイミングの時刻ｔ１２において、第１分割部ＣＤ１の第２および第３電極３３−２、３３−３ならびに第２分割部ＣＤ２の第１電極３３−４のそれぞれに電圧が印加されることによって、第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ３が第３電極３３−３下だけでなく第１分割部ＣＤ１の第２電極３３−２下および第２分割部ＣＤ２の第１電極３３−４にも拡がり、電荷Ｑがこれら各電極３３−２〜３３−４下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２３４に保持される。次の動作タイミングの時刻ｔ１３において、第１分割部ＣＤ１の第３電極３３−３に印加されていた電圧が解消され、そして、第１分割部ＣＤ１の第２電極３３−２および第２分割部ＣＤ２の第１電極３３−４に電圧が印加されることによって、電荷Ｑが第１分割部ＣＤ１の第２電極３３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ２および第２分割部ＣＤ２の第１電極３３−４下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４にそれぞれ分割されて保持される。このように１個のポテンシャル井戸ＰＷ３に蓄積されていた電荷Ｑが、電極３３に所定パターンの駆動電圧を印加することによって、このポテンシャル井戸ＰＷ３に隣接するポテンシャル井戸ＰＷ２、ＰＷ４へ２等分されて保持される。続いて、図４では、次の動作タイミングの時刻ｔ１４において、第１分割部ＣＤ１では、第１および第２電極３３−１、３３−２に電圧が印加されることによって、第１分割部ＣＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２が第２電極３３−２下だけでなく第１電極３３−１下にも拡がり、電荷Ｑ１（＝Ｑ／２）がこの第１および第２電極３３−１、３３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持される。そして、第２分割部ＣＤ２では、第１および第２電極３３−４、３３−５に電圧が印加されることによって、第２分割部ＣＤ２の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４が第１電極３３−４下だけでなく第２電極３３−５下にも拡がり、電荷Ｑ２（＝Ｑ／２）がこの第１および第２電極３３−４、３３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持される。次の動作タイミングの時刻ｔ１５において、第１分割部ＣＤ１では、第１分割部ＣＤ１の第２電極３３−２に印加されていた電圧が解消されるとともに、第１分割部ＣＤ１の第１電極３３−１に電圧が印加されることによって、２等分された電荷Ｑ１が第１分割部ＣＤ１の第１電極３３−１下に形成された第１分割部ＣＤ１の第１ポテンシャル井戸に保持される。そして、第２分割部ＣＤ２では、第２分割部ＣＤ２の第１電極３３−４に印加されていた電圧が解消されるとともに、第２分割部ＣＤ２の第２電極３３−５に電圧が印加されることによって、２等分された電荷Ｑ２が第２分割部ＣＤ２の第２電極３３−５下に形成された第２分割部ＣＤ２の第２ポテンシャル井戸に保持される。このように電荷分割部Ｄは、所定パターンの駆動電圧を各電極３３に印加することによって、第１分割部ＣＤ１の第３ポテンシャル井戸ＰＷ３に保持されている電荷Ｑを２等分し、第１分割部ＣＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２（第１ポテンシャル井戸ＰＷ１）および第２分割部ＣＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５（第３ポテンシャル井戸ＰＷ６）のそれぞれへ導き保持することによって、電荷Ｑを２個の電荷に２等分することができる。

また例えば、複数の電荷を１個の電荷に統合する電荷統合部ＳＤは、電荷分割部ＣＤと同様に、図５に示すように、半導体４１と、半導体４１上に形成された絶縁体層４２と、絶縁体層４２上に連続的に形成された複数の電極（ゲート電極）４３（４３−１〜４３−６）とを備えて構成され、３個１組の電極４３を含んで１個の分割部ＳＤｋが構成され、図５には、電極４３−１〜４３−３を含む第１統合部ＳＤ１と、電極４３−４〜４３−６を含む第２統合部ＳＤ２とが図示されている。また、各電極４３（４３−１〜４３−６）には、電極４３に電圧を印加するための信号線Ｐ１〜Ｐ３が接続されている。このような電荷統合部ＳＤでは、電極４３に外部から電圧を印加することによって電極４３下の半導体４１内にポテンシャル井戸ＰＷが形成される。ポテンシャル井戸ＰＷは、その対応する電極４３に外部から印加される電位によってその深さが制御される。このような電荷統合部ＳＤでは、第１および第２統合部ＳＤ１、ＳＤ２における各電極４３−１〜４３−３；４３−４〜４３−６に所定パターンの駆動電圧を印加することによって、第１統合部ＳＤ１に保持されている第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２に保持されている第２電荷Ｑ２とが合わせられて１個の電荷Ｑ（Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２）に統合され、この電荷Ｑが第１統合部ＳＤ１（第２統合部ＳＤ２）に保持される。例えば、時刻ｔ２１において、初期状態（加算処理前）として、第１統合部ＳＤ１の第１電極４３−１に電圧が印加されることによって形成された第１統合部ＳＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１に第１電荷Ｑ１が保持され、第２統合部ＳＤ２の第２電極４３−５に電圧が印加されることによって形成された第２統合部ＳＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５に第２電荷Ｑ２が保持されている。次の動作タイミングの時刻ｔ２２において、第１統合部ＳＤ１では、第１統合部ＳＤ１の第１および第２電極４３−１、４３−２に電圧が印加されることによって、第１統合部ＳＤ１の第１ポテンシャル井戸ＰＷ１が第１電極４３−１下だけでなく第２電極４３−２下にも拡がり、第１電荷Ｑ１がこの第１および第２電極４３−１、４３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持される。そして、第２統合部ＳＤ２では、第２統合部ＳＤ２の第１および第２電極４３−４、４３−５に電圧が印加されることによって、第２統合部ＳＤ２の第２ポテンシャル井戸ＰＷ５が第２電極４３−５下だけでなく第１電極４３−４下にも拡がり、第２電荷Ｑ２がこの第１および第２電極４３−４、４３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持される。次の動作タイミングの時刻ｔ２３において、第１統合部ＳＤ１では、第１統合部ＳＤ１の第１電極４３−１に印加されていた電圧が解消され、そして、第２電極４３−２に電圧が印加されることによって、第１および第２電極４３−１、４３−２下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ１２に保持されていた第１電荷Ｑ１が第２電極４３−２下に形成された第１統合部ＳＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２に移動して保持される。そして、第２統合部ＳＤ２では、第２統合部ＳＤ２の第２電極４３−５に印加されていた電圧が解消され、そして、第１電極４３−４に電圧が印加されることによって、第１および第２電極４３−４、４３−５下に形成されたポテンシャル井戸ＰＷ４５に保持されていた第２電荷Ｑ２が第１電極４３−４下に形成された第２統合部の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４に移動して保持される。このような動作によって第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１が第２統合部ＳＤ２へ寄るとともに、第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２が第１統合部ＳＤ１へ寄り、第１統合部ＳＤ１の第１電荷４３−１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷４３−２とが１個の電極（第１統合部の第３電極４３−３）４３を隔てて配置される。そして、次の動作タイミングの時刻ｔ２４において、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とを隔てているこの第１統合部ＳＤ１の第３電極４３−３に、第１統合部ＳＤ１の第２電極４３−２および第２統合部ＳＤ２の第１電極４３−４にそれぞれ印加されている電圧と同じ電圧が印加されることによって、第１統合部ＳＤ１の第２ポテンシャル井戸ＰＷ２が第２電極４３−２下だけでなく第３電極４３−３下にも拡がるとともに、第２統合部ＳＤ２の第１ポテンシャル井戸ＰＷ４が第１電極４３−４下だけでなく第１統合部ＳＤ１の第３電極４３−３下にも拡がる結果、第１統合部ＳＤ１の第２および第３電極４３−２、４３−３下ならびに第２統合部ＳＤの第１電極４３−４下に亘るポテンシャル井戸ＰＷ２３４が形成され、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とが統合される。そして、次の動作タイミングの時刻ｔ２５において、第１統合部ＳＤ１の第２電極４３−２に印加されていた電圧が解消されるとともに第２統合部ＳＤ２の第１電極４３−４に印加されていた電圧が解消され、そして、第１統合部ＳＤ１の第３電極４３−３に電圧が印加されることによって、この統合された第１統合部ＣＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とが第１統合部ＳＤ１の第３電極４３−３下に形成された第１統合部ＳＤ１の第３ポテンシャル井戸ＰＷ３に保持され、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２と加算結果Ｑ（＝Ｑ１＋Ｑ２）となる。このように電荷統合部ＳＤは、所定パターンの駆動電圧を各電極に印加することによって、第１統合部ＳＤ１のポテンシャル井戸ＰＷに保持されている第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２のポテンシャル井戸ＰＷに保持されている第２電荷Ｑ２とを１個のポテンシャル井戸ＰＷへ導き統合することによって、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とを電荷のままで加算することができる。すなわち、電荷統合部ＳＤは、第１統合部ＳＤ１の第１電荷Ｑ１と第２統合部ＳＤ２の第２電荷Ｑ２とをアナログで加算することができる。

アナログ乗算部２２は、例えば、直列に接続されている複数の電荷分割部ＣＤと、電荷統合部ＳＤとを備え、電荷保持部２１の出力値に対応する電荷量Ｑを電荷分割部ＣＤで２等分し、その一方を電荷分割部ＣＤで２等分し、これを繰り返すことで、２^−１Ｑ、２^−２Ｑ、２^−３Ｑ、・・・、２^−ｎＱの複数の電荷を生成し、これら各電荷を、重み付けＭの２進表現ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３、・・・、ｍ_ｎに従って取捨し、この取り上げた電荷を電荷統合部ＳＤで統合することで、Ｍ×Ｑの乗算をアナログで行うことができる。

このようなアナログ乗算部２２は、例えば、特開平０６−２３７１７３号公報（特許第２５９９６７９号公報）、特開平０６−３５０４５３号公報（特許第２９５５７３４号公報）、特開平０７−３３５８６６号公報（特許第２６６５７２６号公報）および特開平０８−０５０５４６号公報も参照することができる。

そして、アナログ乗算部２２の重み付けＭは、高調波成分を第１超音波信号の基本波で表現した関数式の係数に基づいて設定される。例えば、第２次高調波成分を抽出する場合では、第２次高調波成分が式７の関数式で表現されるので、ｆ（ｔ−△ｔ）の項は、その重み付けＭが０．５であり、ｆ（ｔ）の項は、その重み付けＭがａ（＝１−２×（（π×△ｔ）／Ｔ）^２）であり、そして、ｆ（ｔ＋△ｔ）の項は、その重み付けＭが０．５である。

アナログ加算部２３は、複数のアナログ乗算部２２の各出力（乗算結果）をアナログ処理によって加算する回路であり、例えば、各アナログ乗算部２２の乗算結果として保持されている電荷を１個に統合することによって、複数のアナログ乗算部２２の各乗算結果をアナログ処理で加算することができる。アナログ加算部２３は、例えば、図５に示す電荷統合部ＳＤによって構成され、電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成される。

このように電荷保持部２１、アナログ乗算部２２およびアナログ加算部２３は、ＣＣＤ原理に基づく電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成可能である。

次に、受信部１３のより具体的な構成について説明する。図６は、実施形態の超音波診断装置における受信部の構成を示す図である。図７は、受信部の一部の動作を示すタイムチャートである。

受信部１３は、例えば、図６に示すように、プリアンプ部５１と、絶対値化部５２と、サンプルホールド部（ＳＨ部）５３と、電荷保持部５４と、アナログ乗算部５５と、アナログ加算部５６と、アナログ−デジタル変換部５７と、タイミング発生部５８とを備えて構成されている。前記高調波抽出部Ｈは、電荷保持部５４、アナログ乗算部５５およびアナログ加算部５６が相当する。

プリアンプ部５１は、超音波探触子２に接続され、被検体内から来た第２超音波信号に基づく超音波探触子２の出力を所定の増幅率で線形に増幅する増幅回路である。なお、プリアンプ部５１は、以後の信号処理を実行する上で充分なレベルの信号が超音波探触子２から出力される場合には、省略可能である。

絶対値化部５２は、プリアンプ部５１に接続され、プリアンプ部５１の出力（超音波探触子２の出力）の絶対値を出力するとともにプリアンプ部５１の出力における正負の符号（符号ビット列）を出力する回路である。ＣＣＤ原理に基づく電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成される上述の電荷保持部２１、アナログ乗算部２２およびアナログ加算部２３で処理される電荷は、正の値であることから、受信部１３で正負の両方を処理可能とするために、超音波探触子２の出力をその大きさと符号とに分ける必要がある。このため、プリアンプ部５１の出力が絶対値化部５２によって絶対値化されて出力されるとともにその符号が出力される。この符号（符号ビット列）は、以後、絶対値化された超音波探触子２の出力に伴って、ＳＨ部５３、電荷保持部５４、アナログ乗算部５５およびアナログ加算部５６の各部を伝播する。

ＳＨ部５３は、絶対値化部５２に接続され、タイミング発生部５８からの動作タイミングに応じたサンプリング周期△ｔで、絶対値化部５２の出力（絶対値化された超音波探触子２の出力）を保持する回路である。ＳＨ部５３は、動作タイミングに応じたタイミングで、この保持した絶対値化部５２の出力に対応する電荷を電荷保持部５４へ出力する。

電荷保持部５４は、ＳＨ部５３に接続され、上述した電荷保持部２１に対応し、所定時刻の超音波探触子２の出力値に対応する電荷量を保持する回路である。この電荷保持部５４は、超音波探触子２の出力から第２高調波成分を抽出すべく、少なくとも３個の電荷保持部５４−１、５４−２、５４−３を備えて構成される。これら各電荷保持部５４−１、５４−２、５４−３は、直列に接続されており、タイミング発生部５８からの動作タイミングに応じたタイミングで自己の電荷保持部５４で保持している電荷を順次に後段の電荷保持部５４へ転送する。すなわち、複数（この例では３個）の電荷保持部５４は、電荷転送素子（電荷結合素子）を構成している。この構成によって、各電荷保持部５４−１、５４−２、５４−３は、時刻（ｔ＋△ｔ）、時刻ｔおよび時刻（ｔ−△ｔ）の３個の超音波探触子２における各出力値ｆ（ｔ＋△ｔ）、ｆ（ｔ）、ｆ（ｔ−△ｔ）が保持される。

アナログ乗算部５５は、上述したアナログ乗算部２２に対応し、電荷保持部２１の出力値に対応する電荷量Ｑを２等分し、その一方をさらに２等分し、これを繰り返すことで２^−１Ｑ、２^−２Ｑ、２^−３Ｑ、・・・、２^−ｎＱの複数の電荷を生成し、これら各電荷を、重み付け（乗数）Ｍ（０≦Ｍ＜１）の２進表現ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３、・・・、ｍ_ｎに従って取捨し、この取り上げた電荷を統合することで、Ｍ×Ｑの乗算をアナログ処理で行う回路である。このアナログ乗算部５５（５５−１〜５５−３）は、各電荷保持部２１（２１−１〜２１−３）に対応して複数（この例では３個）設けられる。これら各アナログ乗算部５５−１〜５５−３は、その対応する各電荷保持部２１−１〜２１−３にそれぞれ接続される。

図６に示す例では第２高調波成分を抽出することから、上述した式６または式７を演算する必要がある。各電荷保持部５４−１、５４−２、５４−３は、上述したように、時刻（ｔ＋△ｔ）、時刻ｔおよび時刻（ｔ−△ｔ）の３個の超音波探触子２における各出力値ｆ（ｔ＋△ｔ）、ｆ（ｔ）、ｆ（ｔ−△ｔ）を保持することから、電荷保持部５４−１に接続されるアナログ演算部５５−１は、０．５×ｆ（ｔ＋△ｔ）を演算し、電荷保持部５４−２に接続されるアナログ演算部５５−２は、ａ×ｆ（ｔ）を演算し、そして、電荷保持部５４−３に接続されるアナログ演算部５５−３は、０．５×ｆ（ｔ−△ｔ）を演算する必要がある。また、乗数ａは、式６から分かるように、サンプリング周期△ｔおよび基本波の周期Ｔに基づいて決定される。より具体的には、乗数ａは、サンプリング周期△ｔの二乗に比例すると共に基本波の周期Ｔの二乗に反比例する。ここで、送信周波数（基本波の周波数１／Ｔ）を４ＭＨｚとし、基本波の１波長に対するサンプリング数を１００．５ポイント（個）、すなわち、サンプリング周波数（１／△ｔ）を４０２ＭＨｚとすると、乗数ａ＝１−２×（（π×１／４０２Ｍ）／（１／４Ｍ））^２≒１−２^−９＝５１１／５１２となる。したがって、アナログ乗算部５５−１は、電荷保持部５４−１の出力値に対応する電荷量Ｑを２等分する回路、すなわち、１×２^−１Ｑを実現する回路で構成することができる。アナログ乗算部５５−２は、電荷保持部５４−２の出力値に対応する電荷量Ｑを、１×２^−１Ｑ＋１×２^−２Ｑ＋１×２^−３Ｑ＋１×２^−４Ｑ＋１×２^−５Ｑ＋１×２^−６Ｑ＋１×２^−７Ｑ＋１×２^−８Ｑ＋１×２^−９Ｑとする回路で構成することができる。アナログ乗算部５５−３は、電荷保持部５４−３の出力値に対応する電荷量Ｑを２等分する回路、すなわち、１×２^−１Ｑを実現する回路で構成することができる。

より具体的には、アナログ乗算部５５−１は、電荷保持部５４−１の電荷量Ｑをセンシングフローティングゲート５４１−１を介して転写し、電荷保持部５４−１の電荷量Ｑと等しい電荷量Ｑを保持する電荷移送部６１−１と、上述した電荷分割部ＣＤのように、電荷移送部６１−１の電荷量Ｑを２等分する電荷分割部６２１−１と、電荷分割部６２１−１で２等分された一方の電荷Ｑ２（＝Ｑ／２）をタイミング発生部５８からの動作タイミングに従って順次に転送する８段の電荷転送部６３１−１〜６３８−１とを備えて構成される。センシングフローティングゲート５４１−１は、電荷保持部５４−１の電荷量Ｑを非破壊で検出する検出用のフローティングゲートであり、例えば、半導体に絶縁体層を介して設けられた電極における前記半導体に対する電位を検出することによって前記半導体に蓄積された電荷量を非破壊で検出するものであり、後述のセンシングフローティングゲート５４１−２、５４１−３も同様である。電荷分割部６２１−１は、上述した電荷分割部ＣＤと同様に、第１および第２分割部を備え、そのうちの一方の分割部、例えば、第２分割部に保持された電荷Ｑ２が８段の電荷転送部６３１−１〜６３８−１によって転送される。アナログ乗算部５５−１の８段の電荷転送部６３１−１〜６３８−１は、アナログ乗算部５５−１の出力とアナログ乗算部５５−２の出力とを同期させるために必要となった構成である。

アナログ乗算部５５−２は、電荷保持部５４−２の電荷量Ｑをセンシングフローティングゲート５４１−２を介して転写し、電荷保持部５４−２の電荷量Ｑと等しい電荷量Ｑを保持する電荷移送部６１−２と、上述した電荷分割部ＣＤのように、電荷移送部６１−１の電荷量Ｑを順次に２等分する９段の電荷分割部６２１−２〜６２９−２と、各電荷分割部６２１−２〜６２９−２で２等分された一方の電荷Ｑ１（＝２^−ｋＱ、ｋ＝１〜９）をそれぞれ加算しながらタイミング発生部５８からの動作タイミングに従って順次に転送する８段の電荷加算部６４２〜６４９とを備えて構成される。電荷分割部６２１−２〜６２９−２は、上述した電荷分割部ＣＤと同様に、第１および第２分割部を備え、そのうちの一方の分割部、例えば、第２分割部に保持された電荷Ｑ２が次段の電荷分割部６２２−２〜６２８−２でさらに２等分され、そのうちの他方の分割部、例えば、第１分割部に保持された電荷Ｑ１が次段の電荷加算部６４２〜６４９で加算される。電荷加算部６４２〜６４９は、電荷加算部ＳＤと同様に、第１および第２加算部を備え、そのうちの一方、例えば、第２加算部が前段の前記電荷分割部６２１−２〜６２９−２における他方の分割部（第１分割部）と兼用されており、また、そのうちの他方、例えば、第１加算部が次段の第１加算部と直列に接続されており、タイミング発生部５８からの動作タイミングに応じたタイミングで自己の第１加算部で保持している電荷を順次に次段の第１加算部へ転送する。

アナログ乗算部５５−３は、電荷保持部５４−３の電荷量Ｑをセンシングフローティングゲート５４１−３を介して転写し、電荷保持部５４−３の電荷量Ｑと等しい電荷量Ｑを保持する電荷移送部６１−３と、上述した電荷分割部ＣＤのように、電荷移送部６１−３の電荷量Ｑを２等分する電荷分割部６２１−３と、電荷分割部６２１−３で２等分された一方の電荷Ｑ１（＝Ｑ／２）をタイミング発生部５８からの動作タイミングに従って順次に転送する８段の電荷転送部６３１−３〜６３８−３とを備えて構成される。電荷分割部６２１−３は、上述した電荷分割部ＣＤと同様に、第１および第２分割部を備え、そのうちの一方の分割部、例えば、第１分割部に保持された電荷Ｑ１が８段の電荷転送部６３１−３〜６３８−３によって転送される。アナログ乗算部５５−３の８段の電荷転送部６３１−３〜６３８−３も、アナログ乗算部５５−３の出力とアナログ乗算部５５−２の出力とを同期させるために必要となった構成である。

アナログ加算部５６は、上述したアナログ加算部２３に対応し、複数のアナログ乗算部５５（５５−１〜５５−３）の各乗算結果をアナログ処理で加算する回路であり、例えば、各アナログ乗算部５５（５５−１〜５５−３）の乗算結果として保持されている電荷を１個に統合することによって、複数のアナログ乗算部５５（５５−１〜５５−３）の各乗算結果をアナログ処理で加算する回路である。より具体的には、アナログ加算部５６は、アナログ乗算部５５で演算されている超音波探触子２の出力における符号が正（＋）である場合に、各アナログ乗算部５５−１〜５５−３の乗算結果である各電荷を統合する電荷統合部７１と、アナログ乗算部５５で演算されている超音波探触子２の出力における符号が負（−）である場合に、各アナログ乗算部５５−１〜５５−３の乗算結果である各電荷を統合する電荷統合部７２と、アナログ減算回路７３とを備えて構成されている。電荷統合部７１、７２は、上述した電荷統合部ＳＤと同様に構成され、３個の電荷を統合する。アナログ減算回路の正の入力端子（＋）には、電荷統合部７１の出力が接続され、アナログ減算回路の負の入力端子（−）には、電荷統合部７２の出力が接続される。したがって、アナログ乗算部５５で演算されている超音波探触子２の出力における符号が正（＋）である場合には、プラスの符号を持った電荷統合部７１の出力値がアナログ減算回路７３から出力され、アナログ乗算部５５で演算されている超音波探触子２の出力における符号が負（−）である場合には、マイナスの符号を持った電荷統合部７２の出力値がアナログ減算回路７３から出力される。

そして、アナログ−デジタル変換部５７は、アナログ加算部５６に接続され、アナログ加算部５６の出力値をアナログ信号からデジタル信号に変換する回路である。アナログ−デジタル変換部５７の出力は、受信部１３の出力とされ、画像処理部１４へ出力される。

このような受信部１３では、プリアンプ部５１、絶対値化部５２、ＳＨ部５３、電荷保持部５４（５４−１〜５４−４）、アナログ乗算部５５（５５−１〜５５−３）、アナログ加算部５６およびアナログ−デジタル変換部５７の各部は、タイミング発生部５８から動作クロックがそれぞれ供給され、所定の動作タイミングで動作している。さらに、アナログ乗算部５５では、その電荷分割部６２１−１、６２１−２〜６２９−２、６２１−３、電荷転送部６３１−１〜６３８−１、６３１−３〜６３８−３および電荷加算部６４２〜６４９も前記所定の動作タイミングで動作している。

そして、被検体内に送信した第１超音波信号に基づく被検体内から来た第２超音波信号が超音波探触子２で受信され、超音波探触子２の出力がプリアンプ部５１に入力される。この超音波探触子２の出力は、プリアンプ部５１で所定の増幅率で線形に増幅され、絶対値化部５２に入力される。このプリアンプ部５１の出力は、例えば、図７の最上段に示される。図７には、最上段の第１段から最下段の第７段に向けて順に、プリアンプ部５１の出力（第１段）、絶対値化部５２の出力（第２段）、ＳＨ部５３の出力（第３段）、電荷保持部５４−１（第４段）、電荷保持部５４−２（第５段）、電荷保持部５４−３（第６段）および電荷保持部５４−４（第７段）がそれぞれ示されている。

このプリアンプ部５１の出力は、図７の第２段に示すように、絶対値化部５２で絶対値とされ（負が軸で折り返されて正とされ）、ＳＨ部５３に入力される。絶対値化部５２の出力は、図７の第３段に示すように、ＳＨ部５３で前記所定の動作タイミング（サンプリング周期）△ｔでサンプリングされ、電荷量および符号が電荷保持部５４−１に入力される。ＳＨ部５３の出力は、図７の第４段に示すように、電荷保持部５４−１で保持される。

そして、４個の電荷保持部５４−１〜５４−４では、図７の第４段ないし第７段に示すように、前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングで自己の電荷保持部５４で保持している電荷をその符号（＋または−）とともに順次に後段の電荷保持部５４へ転送する。例えば、電荷保持部５４−１は、前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングで自己の電荷保持部５４−１で保持している電荷をその符号とともに順次に後段の電荷保持部５４−２へ転送する。

また、アナログ乗算部５５−１では、電荷保持部５４−１の電荷Ｑ（ｔ＋△ｔ）がその符号とともに電荷移送部６１−１へ移送され、その電荷Ｑ（ｔ＋△ｔ）が電荷分割部６２１−１で２等分され、その一方の電荷Ｑ２（＝０．５×Ｑ（ｔ＋△ｔ））がその符号とともに第１段目の電荷転送部６３１−１から第８段目の電荷転送部６３８−１へ前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングで順次に転送される。そして、アナログ乗算部５５−１では、その符号が正の場合には、その出力（電荷転送部６３８−１の出力）がアナログ加算部５６の電荷統合部７１へ入力され、その符号が負の場合には、その出力（電荷転送部６３８−１の出力）がアナログ加算部５６の電荷統合部７２へ入力される。

また、アナログ乗算部５５−２では、電荷保持部５４−２の電荷Ｑ（ｔ）がその符号とともに電荷移送部６１−２へ移送され、その電荷Ｑ（ｔ）が第１段目の電荷分割部６２１−２で２等分され、前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングで、その一方の電荷Ｑ１（＝２^−１×Ｑ（ｔ））がその符号とともに第１段目の電荷加算部６４２へ転送されるとともに、その他方の電荷Ｑ２（＝２^−１×Ｑ（ｔ））が第２段目の電荷分割部６２２−２へ転送される。そして、第２段目の電荷分割部６２２−２では、この電荷２^−１×Ｑ（ｔ）が２等分され、前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングで、その一方の電荷Ｑ１（＝２^−２×Ｑ（ｔ））が第２段目の電荷加算部６４３へ転送されるともに、その他方の電荷Ｑ２（＝２^−２×Ｑ（ｔ））が第３段目の電荷分割部６２３−２へ転送され、そして、第１段目の電荷加算部６４２の電荷２^−１×Ｑ（ｔ）がその符号とともに第２段目の電荷加算部６４３へ転送される。第２段目の電荷加算部６４３では、それぞれ転送された電荷２^−１×Ｑ（ｔ）と電荷２^−２×Ｑ（ｔ）とが加算され（２^−１×Ｑ（ｔ）＋２^−２×Ｑ（ｔ））、第３段目の電荷分割部６２３−２では、この電荷２^−２×Ｑ（ｔ）が２等分される。そして、前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングで、第３段目の電荷分割部６２３−２における一方の電荷Ｑ１（＝２^−３×Ｑ（ｔ））が第３段目の電荷加算部６４４へ転送されるともに、その他方の電荷Ｑ２（＝２^−３×Ｑ（ｔ））が第４段目の電荷分割部６２４−２へ転送され、そして、第２段目の電荷加算部６４３の電荷２^−１×Ｑ（ｔ）＋２^−２×Ｑ（ｔ）がその符号とともに第３段目の電荷加算部６４４へ転送される。以後、前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングごとに、同様に動作し、第９段目の電荷分割部６２９−２には、電荷２^−９×Ｑ（ｔ）＝（１／５１２）×Ｑ（ｔ）が保持され、第８段目の電荷加算部６４９には、電荷２^−１×Ｑ（ｔ）＋２^−２×Ｑ（ｔ）＋２^−３×Ｑ（ｔ）＋２^−４×Ｑ（ｔ）＋２^−５×Ｑ（ｔ）＋２^−６×Ｑ（ｔ）＋２^−７×Ｑ（ｔ）＋２^−８×Ｑ（ｔ）＋２^−９×Ｑ（ｔ）＝（５１１／５１２）×Ｑ（ｔ）がその符号とともに保持される。

そして、アナログ乗算部５５−２では、その符号が正の場合には、その出力（電荷加算部６４９の出力）がアナログ加算部５６の電荷統合部７１へ入力され、その符号が負の場合には、その出力（電荷加算部６４９の出力）がアナログ加算部５６の電荷統合部７２へ入力される。

また、アナログ乗算部５５−３では、電荷保持部５４−３の電荷Ｑ（ｔ−△ｔ）がその符号とともに電荷移送部６１−３へ移送され、その電荷Ｑ（ｔ−△ｔ）が電荷分割部６２１−３で２等分され、その一方の電荷Ｑ１（＝０．５×Ｑ（ｔ−△ｔ））が第１段目の電荷転送部６３１−３から第８段目の電荷転送部６３８−３へ前記所定の動作タイミング△ｔに応じたタイミングでその符号とともに順次に転送される。そして、アナログ乗算部５５−３では、その符号が正の場合には、その出力（電荷転送部６３８−３の出力）がアナログ加算部５６の電荷統合部７１へ入力され、その符号が負の場合には、その出力（電荷転送部６３８−３の出力）がアナログ加算部５６の電荷統合部７２へ入力される。

そして、アナログ加算部５６では、処理すべき電荷の符号が正の場合には、電荷統合部７１で各アナログ乗算部５５−１〜５５−３の各出力が統合されて加算され、アナログ減算回路７３の正の入力端子（＋）へ入力される。一方、処理すべき電荷の符号が負の場合には、電荷統合部７２で各アナログ乗算部５５−１〜５５−３の各出力が統合されて加算され、アナログ減算回路７３の負の入力端子（−）へ入力される。そして、処理すべき電荷の符号が正（＋）である場合には、プラスの符号を持った電荷統合部７１の出力値がアナログ減算回路７３から出力され、処理すべき電荷の符号が負（−）である場合には、マイナスの符号を持った電荷統合部７２の出力値がアナログ減算回路７３から出力される。アナログ減算回路７３の出力は、アナログ加算部５６の出力であり、アナログ−デジタル変換部５７に入力される。

そして、アナログ−デジタル変換部では、アナログ加算部５６の出力がアナログ信号からデジタル信号へ変換され、受信部１３の出力とされる。

このように動作することによって、受信部１３は、超音波探触子２の出力（第２超音波信号）をアナログ処理（アナログのままで信号処理）することによって第２超音波信号から高調波成分を抽出し、このアナログ処理によって抽出した第２超音波信号の高調波成分をデジタル信号化して画像処理部１４へ出力する。

なお、上述では、高調波成分として第２次高調波成分の場合について説明したが、同様に、第３次高調波成分や第４次高調波成分等の高次高調波成分の場合についても同様に説明することができる。

このように本実施形態の超音波診断装置Ｓでは、超音波探触子２における所定の時間差のある複数のアナログ信号をアナログ処理することによって、すなわち、前記複数のアナログ信号をアナログのままで信号処理することによって、第２超音波信号の高調波成分が抽出され、この高調波成分に基づいて被検体の超音波画像が形成される。したがって、超音波診断装置Ｓは、被検体内の一箇所に対し２回の送受信が必要ではなく、アナログ処理によって第２超音波信号から高調波成分をより高い分解能で抽出するので、フレームレートを低下させることなく、より階調性の高い超音波画像を形成することができる。また、高調波成分は、フィルタによって抽出されるわけではないので、電気信号の伝播によって減衰損失が発生することもなく、またリンギングも発生しない。

また、超音波診断装置Ｓでは、上述したように、高調波成分が第１超音波信号の基本波によって関数表現され、高調波抽出部Ｈがアナログ処理を行う回路で簡易に構成される。

また、超音波診断装置Ｓでは、電荷保持部２１、５４、アナログ乗算部２２、５５およびアナログ加算部２３、５６が電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成されるので、高調波抽出部Ｈがより簡易に構成され、また、高調波抽出部ＨのＩＣチップ化が可能である。

また、超音波診断装置Ｓでは、電荷を２等分する電荷分割部ＣＤと、２個の電荷を１個に統合する電荷統合部ＳＤとを用いて構成されるので、高調波抽出部Ｈがより簡易に構成される。また、電荷の分割と統合とで前記アナログ信号がアナログ処理されるので、高調波抽出部Ｈは、比較的高精度にアナログ演算処理を実行することができ、比較的高精度に高調波成分を抽出することができる。

図８は、超音波探触子の受信波およびこの受信波に含まれる高調波成分を示す図であり、図９は、図８に示した超音波探触子の受信波から抽出した基本波成分（１ｓｔ）、第２次高調波成分（２ｎｄ）および第３次高調波成分（３ｒｄ）を示す図である。図８の横軸は、時間であり、その左縦軸は、受信波の振幅レベルを示し、その右縦軸は、高調波成分の振幅レベルを示す。実線は、受信波を示し、そして、破線は、高調波成分を示す。図９の横軸は、周波数であり、その左縦軸は、基本波成分（１ｓｔ）の振幅レベルを示し、その右縦軸は、高調波成分（２ｎｄ、３ｒｄ）の振幅レベルを示す。実線は、基本波成分（１ｓｔ）を示し、そして、破線は、第２次高調波成分（２ｎｄ）、第３次高調波成分（３ｒｄ）を示す。図８および図９は、シミュレーションによって得られた結果である。

図８から分かるように、受信波に含まれる高調波成分は、その振幅レベルが受信波の振幅レベルに較べて著しく小さいが、図９から分かるように、本実施形態の高調波抽出部Ｈによって、ほぼ完全に基本波成分が抑圧されている。したがって、高調波成分をアナログ信号からデジタル信号へ変換する際に、アナログ−デジタル変換器のダイナミックレンジを全体に亘って利用することが可能となり、高調波成分が高分解能で変換され、超音波画像の階調性が向上する。

本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。

一態様にかかる超音波診断装置は、被検体内に送信した第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号に基づいて前記被検体内の画像を形成する超音波診断装置であって、前記第２超音波信号を受信した超音波探触子の出力を所定の時間間隔でサンプリングすることで得られた複数のアナログ信号をアナログ処理することによって、前記第２超音波信号から、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における高調波成分を抽出する高調波抽出部と、前記高調波抽出部で抽出した前記高調波成分に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備える。より具体的には、一態様にかかる超音波診断装置は、超音波探触子を介して被検体内へ第１超音波信号を送信するための送信部と、前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号を受信した前記超音波探触子の出力を所定の時間間隔でサンプリングすることで得られた複数のアナログ信号をアナログ処理することによって、前記第２超音波信号から、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における高調波成分を抽出する受信部と、前記受信部で抽出した前記高調波成分に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備える。

このような構成の超音波診断装置では、高調波抽出部が超音波探触子における所定の時間差のある複数のアナログ信号をアナログ処理することによって、すなわち、複数のアナログ信号をアナログのままで信号処理することによって、第２超音波信号の高調波成分を抽出し、画像処理部がこの高調波成分に基づいて被検体内の画像を形成する。したがって、このような構成の超音波診断装置は、被検体内の一箇所に対し２回の送受信が必要ではなく、アナログ処理によって第２超音波信号から高調波成分を抽出するので、フレームレートを低下させることなく、より階調性の高い超音波画像を形成することができる。

また、他の一態様では、上述の超音波診断装置において、前記受信部は、前記複数のアナログ信号のそれぞれを保持する複数の電荷保持部と、前記複数の電荷保持部のそれぞれに対応して設けられる複数のアナログ乗算部と、前記複数のアナログ乗算部の各出力をアナログ処理によって加算するアナログ加算部とを備える高調波抽出部を備え、前記アナログ乗算部は、前記電荷保持部に保持されているアナログ信号にアナログ処理によって重み付けを行い、前記重み付けは、前記高調波成分を前記第１超音波信号の基本波で表現した関数式の係数に基づいて設定される。

この構成によれば、高調波成分が第１超音波信号の基本波によって関数表現され、高調波抽出部がアナログ処理を行う回路で簡易に構成可能となる。

また、他の一態様では、上述の超音波診断装置において、前記複数の電荷保持部は、直列に接続され、所定の動作タイミングに応答して自己の電荷保持部で保持しているアナログ信号を順次に後段の電荷保持部へ転送し、前記アナログ乗算部は、電荷転送素子を用いた乗算器であり、前記アナログ加算部は、電荷転送素子を用いた加算器である。

この構成によれば、電荷保持部、アナログ乗算部およびアナログ加算部が電荷転送素子（電荷結合素子）を用いて構成されるので、高調波抽出部がより簡易に構成可能となり、また、高調波抽出部のＩＣチップ化が可能となる。

また、他の一態様では、上述の超音波診断装置において、前記アナログ乗算部は、電荷を２等分して第１および第２分割部にそれぞれ保持し、直列に接続されている複数の電荷分割部と、複数の電荷を１個の電荷に統合する電荷統合部とを備え、電荷保持部で保持しているアナログ信号に対応する電荷量Ｑを前記電荷分割部で２等分し、その一方を後段の電荷分割部で２等分し、これを繰り返すことで、２^−１Ｑ、２^−２Ｑ、２^−３Ｑ、・・・、２^−ｎＱの複数ｎの電荷を生成し、これら各電荷を、前記重み付けＭの２進表現ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３、・・・、ｍ_ｎに従って取捨し、この取り上げた電荷を前記電荷統合部で統合する。

この構成によれば、電荷を２等分する電荷分割部と、２個の電荷を１個に統合する電荷統合部とを用いて構成されるので、高調波抽出部がより簡易に構成可能となる。また、電荷の分割と統合とで前記アナログ信号がアナログ処理されるので、高調波抽出部は、比較的高精度にアナログ演算処理を実行することができ、比較的高精度に高調波成分を抽出することができる。

この出願は、２００８年７月１０日に出願された日本国特許出願特願２００８−１７９７５５を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

本発明によれば、フレームレートを低下させることなく、より階調性の高い超音波画像を形成し得る超音波診断装置を提供することができる。

Claims (3)

1. 超音波探触子を介して被検体内へ第１超音波信号を送信するための送信部と、
   前記第１超音波信号に基づく前記被検体内から来た第２超音波信号を受信した前記超音波探触子の出力を所定の時間間隔でサンプリングすることで得られた複数のアナログ信号をアナログ処理することによって、前記第２超音波信号から、前記第１超音波信号の周波数を基本周波数とした場合における高調波成分を抽出する受信部と、
   前記受信部で抽出した前記高調波成分に基づいて前記被検体内の画像を形成する画像処理部とを備え、
   前記受信部は、前記複数のアナログ信号のそれぞれを保持する複数の電荷保持部と、前記複数の電荷保持部のそれぞれに対応して設けられる複数のアナログ乗算部と、前記複数のアナログ乗算部の各出力をアナログ処理によって加算するアナログ加算部とを備える高調波抽出部を備え、
   前記アナログ乗算部は、前記電荷保持部に保持されているアナログ信号にアナログ処理によって重み付けを行い、
   前記重み付けは、前記高調波成分を前記第１超音波信号の基本波で表現した関数式の係数に基づいて設定されること
   を特徴とする超音波診断装置。
2. 前記複数の電荷保持部は、直列に接続され、所定の動作タイミングに応答して自己の電荷保持部で保持しているアナログ信号を順次に後段の電荷保持部へ転送し、
   前記アナログ乗算部は、電荷転送素子を用いた乗算器であり、
   前記アナログ加算部は、電荷転送素子を用いた加算器であること
   を特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記アナログ乗算部は、
   電荷を２等分して第１および第２分割部にそれぞれ保持し、直列に接続されている複数の電荷分割部と、
   複数の電荷を１個の電荷に統合する電荷統合部とを備え、
   電荷保持部で保持しているアナログ信号に対応する電荷量Ｑを前記電荷分割部で２等分し、その一方を後段の電荷分割部で２等分し、これを繰り返すことで、２^−１Ｑ、２^−２Ｑ、２^−３Ｑ、・・・、２^−ｎＱの複数ｎの電荷を生成し、これら各電荷を、前記重み付けＭの２進表現ｍ_１、ｍ_２、ｍ_３、・・・、ｍ_ｎに従って取捨し、この取り上げた電荷を前記電荷統合部で統合すること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波診断装置。

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